VERFAHREN UND ANORDNUNG ZUR FESTSTELLUNG VON KÄLTEMITTELLECKAGEN IN EINEM KÄLTEKREISLAUF, DER IN EINEM GESCHLOSSENEN GEHÄUSE ANGEORDNET IST

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Feststellung einer Leckage in einem mit einem Kältemittel (2) gefüllten Kältekreislauf (1), der in einem Innenraum (4) eines dichten Gehäuses (3) angeordnet ist, welcher mit einer äußeren Umgebung (5) nur über eine mit einer Adsorbensfüllung (7) für das Kältemittel (2) versehenen Verbindungskammer (6) verbunden ist, wobei aus dem Kältekreislauf (1) in den Innenraum (4) austretendes Kältemittel (2) in der Adsorbensfüllung (7) unter Wärmeentwicklung adsorbiert wird, wobei die Temperatur an mindestens einer Stelle in der Adsorbensfüllung (7) gemessen und bei einer Überschreitung eines absoluten Schwellwertes und/oder einer Überschreitung eines Schwellwertes für den Temperaturanstieg pro Zeiteinheit auf eine Leckage geschlossen wird. Bevorzugt weist die Verbindungskammer (6) mindestens einen inneren Teilbereich (8) und einen äußeren Teilbereich (9) auf, wobei in jedem Teilbereich (8, 9) ein Temperatursensor (11, 12) angeordnet ist. Zusätzlich kann in dem Innenraum (4) ein Temperatursensor als Referenzsensor (13) angeordnet sein, der ebenfalls mit der Auswerteeinheit (14) verbunden ist. Die vorliegende Erfindung erlaubt es, mit einer einfachen, robusten und weitgehend wartungsfreien Instrumentierung aus einem oder mehreren Temperatursensoren (11, 12) in einer Adsorbensfüllung (7) Leckagen an Kältemittel (2) sicher festzustellen und entsprechende Maßnahmen einzuleiten.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Feststellung von Kältemittelleckagen in einem Kältekreislauf.

[0002] Moderne Heizungsanlagen sind oft mit Wärmepumpen ausgestattet, die der Umgebung Wärme entziehen, um damit Gebäude zu heizen und/oder Wasser zu erwärmen. Dazu ist ein Kältekreislauf erforderlich, in dem ein Kältemittel zirkuliert, welches bei Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck meist gasförmig ist und daher bei einer Leckage im Kältekreislauf als Gas entweicht. Übliche Kältemittel, z. B. das sogenannte R290, für das die vorliegende Erfindung besonders geeignet ist, sollen aus verschiedenen Gründen nicht unkontrolliert in Gebäude gelangen. Einige Kältemittel sind auch brennbar, so dass schon aus diesem Grund eine unkontrollierte Verteilung vermieden werden muss. Sofern ein Kältekreislauf nicht außerhalb von Gebäuden angeordnet werden kann, wird er daher in einem Innenraum eines dichten Gehäuses angeordnet, welches z. B. in einem Keller oder einem Nebenraum eines Gebäudes aufgestellt wird. So kann entweichendes Kältemittel zunächst nur in den Innenraum entweichen, von wo es aus dem Gebäude heraus in die freie Umgebung geleitet werden kann. Da man auch eine Ableitung von Kältemittel in die Umwelt oft vermeiden möchte oder eine Ableitung in die freie Umgebung manchmal schwer möglich ist, ist es auch bekannt, in eine Verbindung des Innenraumes zur Umgebung eine Verbindungkammer einzubauen, die mit einem Adsorbens gefüllt ist, welche austretendes Kältemittel bindet. Je nach Dimensionierung einer solchen Adsorbensfüllung kann diese ausreichen, den gesamten Inhalt an Kältemittel eines Kältekreislaufs zu binden, so dass dieses weder in die freie Umgebung noch in ein Gebäude gelangen kann.

[0003] Andererseits reicht es für den Betreib einer Wärmepumpe nicht aus, nur ein unkontrolliertes Entweichen von Kältemittel zu verhindern, sondern es ist auch wichtig, Leckagen jeder Größenordnung möglichst frühzeitig zu detektieren, um Gegenmaßnahmen (Warnmeldung, Wartung, Abschaltung, Störungsmeldung) einleiten zu können. Dazu sind verschiedene Arten von Detektoren für Kältemittel bekannt, die im Innenraum des Gehäuses angeordnet werden können, insbesondere elektrochemische Sensoren. Solche Sensoren sind jedoch mit verschiedenen Nachteilen behaftet, insbesondere teuer, störanfällig (z. B. wegen möglicher Kontamination z. B. durch Siloxane oder Querempfindlichkeiten z. B. gegenüber Wasserdampf), von begrenzter Lebensdauer und/oder wartungsintensiv.

[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschildeten Probleme wenigstens teilweise zu lösen. Insbesondere ist eine Aufgabe die Schaffung eines Verfahrens und einer Anordnung zum Feststellen und/oder quantitativen Bestimmen des Vorhandenseins einer Kältemittelleckage in einem Kältekreislauf, wobei die Anordnung einfach und geeignet für einen Alltagsbetrieb eines Kältekreislaufs und wartungsarm, möglichst für dessen gesamte Lebensdauer, sein soll.

[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ein Verfahren und eine Anordnung sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an.

[0006] Hierzu trägt ein Verfahren bei zur Feststellung einer Leckage in einem mit einem Kältemittel gefüllten Kältekreislauf, der in einem Innenraum eines dichten Gehäuses angeordnet ist, welcher mit einer äußeren Umgebung nur über eine mit einer Adsorbensfüllung für das Kältemittel versehenen Verbindungskammer verbunden ist. Aus dem Kältekreislauf in den Innenraum austretendes Kältemittel wird in der Adsorbensfüllung unter Wärmeentwicklung adsorbiert, wobei die Temperatur an mindestens einer Stelle in der Adsorbensfüllung gemessen wird. Bei einer Überschreitung eines absoluten Schwellwertes der Temperatur und/oder einer Überschreitung eines Schwellwertes für den Temperaturanstieg pro Zeiteinheit wird dann auf eine Leckage geschlossen.

[0007] Bei der Adsorption eines Stoffes an einem geeigneten Adsorbermaterial wird Adsorptionsenthalpie freigesetzt, die das Adsorbermaterial mit dem adsorbierten Stoff erwärmt. Dies ist bei einem Kältemittel wie R290 und beispielsweise Aktivkohle als Adsorbens eine leicht als Temperaturerhöhung messbare Energiemenge pro adsorbierter Masseneinheit. Mit einer Temperaturmessung im innersten Bereich der Adsorbensfüllung, wo austretendes Kältemittel zuerst adsorbiert wird, lassen sich auch kleinere Leckagen bereits durch eine Temperaturerhöhung feststellen. Wird unmittelbar aus einer Messung und/oder aufgezeichneten bzw. gespeicherten Messwerten der Temperaturmessung(en) ein Überschreiten eines vorgebbaren absoluten Schwellwertes und/oder das Überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes für einen Temperaturanstieg pro Zeiteinheit ermittelt, kann dies (automatisch) als Hinweis auf eine Leckage interpretiert werden, wobei ggf. automatisch Gegenmaßnahmen (z.B. Warnmeldung, Wartung, Abschaltung, Störungsmeldung) eingeleitet werden können.

[0008] Bevorzugt weist die Adsorbensfüllung in der Verbindungskammer mindestens einen inneren Teilbereich und einen äußeren Teilbereich auf, wobei in diesen Teilbereichen jeweils die Temperatur gemessen wird. Es können mehr als zwei Teilbereiche vorgesehen sein. Die Teilbereiche müssen nicht baulich voneinander abgegrenzt sein, z.B. durch einen Kragen, ein Gitter oder dergleichen. Die Teilbereiche können unterschiedliche Volumina der Adsorbensfüllung umfassen, wobei bevorzugt ist, diese je nach Anzahl etwa mit gleichem Volumenanteil festzulegen. Der "innere" bzw. erste Teilbereich liegt üblicherweise dem Innenraum am nächsten, während der "äußere" Teilbereich (bzw. weitere Teilbereiche) weiter entfernt von dem Innenraum liegen bzw. von weiter innen liegenden Teilbereichen vom Innenraum bebstandet sind. Wenn mehr als zwei Teilbereiche vorgesehen sind, müssen nicht in allen Teilbereichen Temperaturmessungen vorgesehen oder durchgeführt werden. Es ist möglich, dass an einer Stelle in jedem Teilbereich eine (direkte) Temperaturmessung vorgenommen wird.

[0009] Zu Beginn einer Leckage gelangt Kältemittel in den inneren Teilbereich und löst dort eine Temperaturerhöhung aus, während in dem äußeren Teilbereich noch kein Kältemittel festgestellt werden kann. Mit der Zeit und/oder bei sehr großen Leckagen tritt auch in dem äußeren Teilbereich eine Temperaturerhöhung auf, während in dem inneren Teilbereich die Temperatur wieder absinkt, je stärker dieser mit adsorbiertem Kältemittel gesättigt ist. Eine Unterteilung in mehr Teilbereiche kann die Messgenauigkeit erhöhen. Jedenfalls lässt sich auf diese Weise nicht nur das Vorhandensein einer Leckage feststellen, sondern auch die Größenordnung eines Lecks genauer ermitteln als mit nur einer Temperaturmessung. Da die Temperatur in der Verbindungskammer je nach Jahreszeit und Umgebungsbedingungen oder Betriebsbedingungen unterschiedlich sein kann, ist es sinnvoll, eine Referenztemperatur zu ermitteln, die nicht von einer Leckage beeinflusst wird, und nur die Differenz der in der Adsorbensfüllung gemessenen Temperaturen zu dieser Referenztemperatur zu ermitteln und für die weitere Auswertung zu nutzen. Die Referenztemperatur kann in dem Innenraum oder in der Umgebung gemessen werden.

[0010] Insbesondere wird aus dem Wert (bzw. der Höhe) der gemessenen Temperatur und/oder der Schnelligkeit eines Temperaturanstiegs in den Teilbereichen bzw. in jedem Teilbereich auf die Größe und/oder die bisherige Dauer der Leckage geschlossen.

[0011] Die aktuell ermittelten Temperatur-Werte und/oder die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur können mit vorausgegangenen und/oder gespeicherten Werten aus demselben und/oder einem anderen Teilbereich in Relation gesetzt werden. Hieraus können (automatisch) Kennwerte und/oder Korrelationen ermittelt werden, die den Ausbreitungsbereich der Leckage, die Menge des aufgetretenen Kältemittels und/oder das zeitliche Verhalten der Leckage charakterisieren. Diese Informationen können genutzt werden, weitere Aktionen zu veranlassen, wie z.B. zielgerichtete Meldungen zur Wartung, Abschaltung oder Störung.

[0012] Zur Lösung der Aufgabe dient auch eine Anordnung zur Feststellung einer Kältemittelleckage in einem Kältekreislauf, der in einem Innenraum eines dichten Gehäuses angeordnet ist, welcher mit einer äußeren Umgebung nur über eine mit einer Adsorbensfüllung für das Kältemittel versehenen Verbindungskammer verbunden ist, wobei in der Adsorbensfüllung in der Verbindungskammer mindestens ein Temperatursensor angeordnet ist, der über eine Messleitung mit einer Auswerteeinheit verbunden ist.

[0013] Temperatursensoren sind robust und wartungsarm und haben eine sehr lange Lebensdauer ebenso wie ein typisches Adsorbens, so dass die Anordnung eine ähnliche Lebensdauer haben kann wie ein Kältekreislauf. Der Temperatursensor steht insbesondere direkt mit dem Adsorbens in der Verbindungskammer in Kontakt. Der Temperatursensor selbst und/oder die (elektronische bzw. elektrische) Messleitung kann z.B. seitlich aus der Verbindungskammer herausgeführt werden. Die Auswerteeinheit kann einen Computer und einen (Daten-)Speicher umfassen.

[0014] Bevorzugt weist die Verbindungskammer mindestens einen inneren Teilbereich und einen äußeren Teilbereich auf, wobei in den Teilbereichen jeweils ein Temperatursensor angeordnet ist. Sind mehr als zwei Teilbereiche vorgesehen, können in jedem Teilbereich jeweils mindestens ein Temperatursensor vorgesehen sein, es ist aber auch möglich, dass mindestens ein Teilbereich ohne Temperatursensor ausgeführt ist.

[0015] Bei einer Leckage austretendes Kältemittel erreicht zuerst den inneren Teilbereich und erst später - wenn die Aufnahmefähigkeit der Adsorbensfüllung in diesem Bereich erreicht ist - den (weiter) äußeren Teilbereich, so dass durch Temperatursensoren in beiden Teilbereichen (oder sogar noch weiteren Teilbereichen) zusätzliche Informationen über die Größenordnung der Leckage und/oder die Menge des bereits ausgetretenen Kältemittels gewonnen werden können.

[0016] Bei einer speziellen Ausführungsform ist in dem Innenraum ein Temperatursensor als Referenzsensor angeordnet, der ebenfalls (über eine elektronische bzw. elektrische Messleitung) mit der Auswerteeinheit verbunden ist. Dieser Referenzsensor liefert eine nicht von einer Leckage beeinflusste Temperatur, die im Wesentlichen der Temperatur in der Verbindungskammer entspricht, so dass nur die Differenz von in der Verbindungskammer gemessenen Temperaturen von der Referenztemperatur bei der Interpretation der Daten betrachtet werden muss.

[0017] Bevorzugt, insbesondere für das Kältemittel R290, umfasst bzw. enthält die Adsorbensfüllung Aktivkohle und/oder ein anderes Adsorbens, welches sich bei Adsorption von Kältemittel erwärmt.

[0018] Die Auswerteeinheit kann so eingerichtet sein, dass bei Überschreitung eines absoluten Schwellwertes der Temperatur und/oder eines Schwellwertes für den Temperaturanstieg pro Zeiteinheit (oder der jeweiligen Differenz zu einer Referenztemperatur) eine Warnmeldung und/oder Schutzmaßnahmen (automatisch) veranlasst wird. Dies kann eine Anzeige auf einem Display sein, eine Meldung an eine Fernwartungszentrale bis hin zu einer Abschaltung des Kältekreislaufs.

[0019] Besonders bevorzugt ist die Größe (z.B. das Volumen bzw. die Abmessungen) der Verbindungskammer und die Menge an Adsorbens darin so ausgelegt, dass bei Leckagen unterhalb eines Toleranzwertes in einem vorgebbaren Zeitintervall kein Kältemittel in die äußere Umgebung gelangt. Dies kann auch so weit gehen, dass selbst bei Austritt des gesamten Kältemittels alles adsorbiert werden kann. Dies bedeutet eine zusätzliche Sicherheit für ein Gebäude oder die Umwelt. Trotzdem wird eine Leckage schnell erkannt und gemeldet.

[0020] Ein weiterer Aspekt betrifft auch ein Computerprogramprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die beschriebene Anordnung das beschriebene Verfahren ausführt. Die Auswertung der von den Sensoren gemessenen Daten und deren weitere Verwendung benötigen ein Programm und Daten, wobei beides gelegentlich aktualisiert werden muss.

[0021] Die Erläuterungen zum Verfahren können zur näheren Charakterisierung der Anordnung herangezogen werden, und umgekehrt. Die Anordnung kann auch so eingerichtet sein, dass damit das Verfahren durchgeführt wird.

[0022] Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das diese jedoch nicht beschränkt ist, und die Funktionsweise des Verfahrens werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellt dar:

Fig. 1:

einen Kältekreislauf in einem dichten Gehäuse mit zugehöriger Sensorik für Leckagen.

[0023] Fig. 1 zeigt schematisch einen Kältekreislauf 1, gefüllt mit Kältemittel 2, der in einem Innenraum 4 eines Gehäuses 3 angeordnet ist. Der Kältekreislauf 1 enthält typischerweise hier nicht näher erläuterte Komponenten wie einen Kompressor, ein Entspannungselement, einen Verdampfer und einen Kondensator, die wiederum auch Zuleitungen haben können, die dichtend durch das Gehäuse geführt sind. Für innere Leckagen zu solchen Zuleitungen gibt es andere Messsysteme, die hier nicht Gegenstand der Betrachtungen sind. Im Folgenden geht es nur um Leckagen von Kältemittel 2, die zu einem Austritt von Kältemittel 2 in den Innenraum 4 führen, wo sich das Kältemittel schnell durch Diffusion verteilt und wegen des entstehenden Überdruckes im Innenraum durch eine Verbindungskammer 6 in eine Umgebung 5 (freie Umgebung oder Gebäude) entweichen will. Dies wird durch ein Adsorbens, z. B. Aktivkohle, verhindert, welches das Kältemittel 2 adsorbiert. Für R290 und andere natürliche Kältemittel, die teilweise auch brennbar sein können, gibt es geeignete Adsorbensfüllungen 7. Diese sind porös und haben eine große Oberfläche, so dass eine effektive Adsorption stattfinden kann, wobei Wärme frei wird. Im Fall einer Leckage gelangt Kältemittel 2 zunächst in einen inneren Teilbereich 8 der Adsorbensfüllung 7, wo sich die Temperatur zunächst in einer Adsorptionszone 10 erhöht, was von einem ersten Temperatursensor 11 gemessen und über eine Messleitung 15 an eine Auswerteeinheit 14 weitergegeben werden kann. Im einfachsten Fall ist damit bereits eine Überwachung auf Leckagen möglich. Im Laufe der Zeit (wenn das Adsorbens im ersten Teilbereich zunehmend gesättigt ist) wandert die Adsorptionszone 10, in der hauptsächlich die Wärme freigesetzt wird, weiter nach außen und gelangt dann auch in einen äußeren Teilbereich 9, in dem ebenfalls die Temperatur durch einen zweiten Temperatursensor 12 gemessen werden kann. Durch Auswertung der Temperaturmessungen von erstem 11 und zweitem 12 Temperatursensor kann daher nicht nur eine Leckage festgestellt werden, sondern auch deren Größe und Dauer eingeschätzt werden. Mit einem dritten Temperatursensor 13 als Referenz können nicht auf eine Leckage zurückgehende Temperaturschwankungen kompensiert werden, was auch mit nur einem Temperatursensor 11 in der Adsorbensfüllung funktioniert. Es wird immer nur die Differenz zwischen Referenztemperatur am dritten Temperatursensor 13 und Temperatur in der Adsorbensfüllung betrachtet. Die Auswerteeinheit 14 stellt die Überschreitung eines vorgebbaren absoluten Schwellwertes und/oder die Überschreitung eines vorgebbaren Schwellwertes bei der Temperaturzunahme pro Zeiteinheit fest und interpretiert diese als Hinweis auf eine Leckage. Im Allgemeinen ist die Auswerteeinheit Teil einer Steuer- und Regeleinheit einer gesamten Heizungsanlage und kann in letzterer Warnsignale, Warnanzeigen, Meldungen an eine Fernwartungszentrale und/oder direkt Maßnahmen bis hin zu einer Abschaltung des Kältekreislaufs 1 auslösen. Durch Adsorbens in geeigneter Menge kann die Anordnung aber auch gleichzeitig inhärent sicher gegen den Austritt von Kältemittel 2 in die Umgebung 5 gestaltet werden.

[0024] Die vorliegende Erfindung erlaubt es, mit einer einfachen, robusten und weitgehend wartungsfreien Instrumentierung aus einem oder mehreren Temperatursensoren in einer Adsorbensfüllung Leckagen an Kältemittel sicher festzustellen und entsprechende Maßnahmen einzuleiten.

Bezugszeichenliste

[0025] 

1

Kältekreislauf

2

Kältemittel

3

Gehäuse

4

Innenraum

5

Äußere Umgebung

6

Verbindungskammer

7

Adsorbensfüllung

8

Innerer Teilbereich

9

Äußerer Teilbereich

10

Adsorptionszone

11

Erster Temperatursensor

12

Zweiter Temperatursensor

13

Dritter Temperatursensor (Referenzsensor)

14

Auswerteeinheit

15

Messleitung

Ansprüche

1. Verfahren zur Feststellung einer Leckage in einem mit einem Kältemittel (2) gefüllten Kältekreislauf (1), der in einem Innenraum (4) eines dichten Gehäuses (3) angeordnet ist, welcher mit einer äußeren Umgebung (5) nur über eine mit einer Adsorbensfüllung (7) für das Kältemittel (2) versehenen Verbindungskammer (6) verbunden ist, wobei aus dem Kältekreislauf (1) in den Innenraum (4) austretendes Kältemittel (2) in der Adsorbensfüllung (7) unter Wärmeentwicklung adsorbiert wird, wobei die Temperatur an mindestens einer Stelle in der Adsorbensfüllung (7) gemessen und bei einer Überschreitung eines absoluten Schwellwertes und/oder einer Überschreitung eines Schwellwertes für den Temperaturanstieg pro Zeiteinheit auf eine Leckage geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Adsorbensfüllung (7) in der Verbindungskammer (6) mindestens einen inneren Teilbereich (8) und einen äußeren Teilbereich (9) aufweist und in diesen Teilbereichen (8, 9) jeweils die Temperatur gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei aus dem Wert der gemessenen Temperatur und/oder der Schnelligkeit eines Temperaturanstiegs in den Teilbereichen (8, 9) zumindest auf die Größe oder die bisherige Dauer der Leckage geschlossen wird.

4. Anordnung zur Feststellung einer Kältemittelleckage in einem Kältekreislauf (1), der in einem Innenraum (4) eines dichten Gehäuses (3) angeordnet ist, welcher mit einer äußeren Umgebung (5) nur über eine mit einer Adsorbensfüllung (7) für das Kältemittel (2) versehenen Verbindungskammer (6) verbunden ist, wobei in der Adsorbensfüllung (7) in der Verbindungskammer (6) mindestens ein Temperatursensor (11) angeordnet ist, der über eine Messleitung (15) mit einer Auswerteeinheit (14) verbunden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, wobei die Verbindungskammer (6) mindestens einen inneren Teilbereich (8) und einen äußeren Teilbereich (9) aufweist, wobei in jedem Teilbereich (8, 9) ein Temperatursensor (11, 12) angeordnet ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei in dem Innenraum (4) ein Temperatursensor als Referenzsensor (13) angeordnet ist, der ebenfalls mit der Auswerteeinheit (14) verbunden ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Adsorbensfüllung (7) Aktivkohle und/oder ein anderes Adsorbens, welches sich bei Adsorption von Kältemittel (2) erwärmt, umfasst.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Auswerteeinheit (14) eingerichtet ist, bei Überschreitung eines absoluten Schwellwertes der Temperatur und/oder eines Schwellwertes für den Temperaturanstieg pro Zeiteinheit zumindest eine Warnmeldung oder Schutzmaßnahmen zu veranlassen.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche, wobei die Größe der Verbindungskammer (6) und die Menge an Adsorbensfüllung (7) darin so ausgelegt werden, dass bei Leckagen unterhalb eines Toleranzwertes in einem vorgebbaren Zeitintervall kein Kältemittel (2) in die äußere Umgebung (5) gelangt.

10. Computerprogramprodukt umfassend Befehle, die bewirken, dass die Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9 das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausführt.

Zeichnung